某大功率功放的熱設(shè)計(jì)研究

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 范 斌

某大功率功放的熱設(shè)計(jì)研究

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 范 斌

本文主要進(jìn)行大功率功放的研究與設(shè)計(jì)，結(jié)合自己的實(shí)際工作針對(duì)熱設(shè)計(jì)展開(kāi)分析，首先在相應(yīng)理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)大功率功放的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，在分析的基礎(chǔ)上展開(kāi)仿真。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的不合理方面，然后進(jìn)一步優(yōu)化，希望能夠保證大功率功放熱設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及合理性。

大功率功放；熱設(shè)計(jì)；仿真；優(yōu)化

大功率功放設(shè)計(jì)主要是研究如何最大限度的將功率傳遞出去，減少多余熱量的產(chǎn)生。研究功放熱設(shè)計(jì)對(duì)于提升整機(jī)的工作效率，延長(zhǎng)設(shè)備中元器件使用壽命都有重要意義。本文將主要從功放的散熱設(shè)計(jì)和功放效率提升兩個(gè)維度開(kāi)展研究分析。

1.某大功率功放熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.1 功放機(jī)箱組成及設(shè)計(jì)

在進(jìn)行大功率功放機(jī)箱的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，對(duì)于各個(gè)模塊進(jìn)行了分析與總結(jié)，最終確定了以下幾個(gè)模塊，包括激勵(lì)級(jí)、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換級(jí)和末級(jí)，另外還有電源模塊，為了加強(qiáng)設(shè)備的檢測(cè)，大功率功放中還設(shè)置了溫度檢測(cè)模塊、檢波模塊以及監(jiān)控模塊等。

在某大功率功放機(jī)箱的設(shè)計(jì)中，不僅僅考慮了各模塊的尺寸設(shè)計(jì)，還考慮各模塊的接線設(shè)計(jì)。機(jī)箱一共分為供電區(qū)、主功能區(qū)以及通風(fēng)散熱區(qū)三層的組成模式，通過(guò)圖中設(shè)計(jì)可以看出，在功放主功能區(qū)中各部分組成尺寸設(shè)計(jì)比較小，并且和其他兩層相比較而言線纜連接關(guān)系最多，中間層的主要作用是考慮到通風(fēng)散熱作用，通過(guò)風(fēng)機(jī)和散熱器的引入來(lái)實(shí)現(xiàn)。下層供電區(qū)的選擇和設(shè)計(jì)中主要考慮了供電安全性和可靠性，所以在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了2個(gè)電源模塊。

1.2 散熱優(yōu)化

本設(shè)計(jì)中針對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)際情況采用強(qiáng)風(fēng)冷卻的方案進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化：（1）為減小末級(jí)放大模塊和功率管之間的熱阻，在設(shè)計(jì)中采用了銦箔；（2）為保證末級(jí)放大模塊工作中產(chǎn)生的熱量快速的擴(kuò)散，在其底部焊接了4根壓扁的熱管，這樣的設(shè)計(jì)還能夠很好的減小熱阻；（3）在機(jī)箱風(fēng)機(jī)風(fēng)量的設(shè)計(jì)中，也和以往的設(shè)計(jì)略有差別，在設(shè)計(jì)中根據(jù)熱平衡方程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；（4）對(duì)于整個(gè)大功率功放的散熱器選擇和設(shè)計(jì)中，還注意尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)，注意尺寸設(shè)計(jì)和散熱要求相適應(yīng)，另外還應(yīng)該注重散熱器設(shè)計(jì)盡可能的輕量化；（5）在設(shè)計(jì)中，不僅僅單獨(dú)的按照理論展開(kāi)分析與研究，還借助仿真的手段進(jìn)行，通過(guò)仿真模擬對(duì)于設(shè)計(jì)展開(kāi)進(jìn)一步的優(yōu)化，最終保證各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)合理、科學(xué)，并且能夠正常工作。

2.大功率功放功率提升與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 大功率功放效率提升設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的硬件平臺(tái)，可以搭載不同的波形即支持多模，寬帶，并在此基礎(chǔ)上滿足長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間、小型化。那么就會(huì)帶來(lái)幾個(gè)問(wèn)題，多模高峰均比信號(hào)對(duì)功率容量的需求以及恒包絡(luò)信號(hào)對(duì)效率的需求的矛盾。以及超寬帶下功率容量不平坦以及效率不平坦的矛盾。上述的這些問(wèn)題都對(duì)功放的通用性與小型化帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了解決這些問(wèn)題，同時(shí)考慮手持機(jī)體積的限制，綜合上述的功放相關(guān)技術(shù)，在此次方案中擬采用GaN功放管結(jié)合工作點(diǎn)自適應(yīng)與回退法結(jié)合的方式來(lái)滿足小型化、低功耗的需求。功放的核心部分有三塊：功放鏈路、多段諧波濾波器、工作點(diǎn)自適應(yīng)模塊。

根據(jù)功放模塊以及功放管的特征對(duì)這三個(gè)模塊進(jìn)行指標(biāo)分解。其中設(shè)計(jì)優(yōu)化指標(biāo)情況如表1、表2、表3所示。

2.2 大功率功放容量與效率仿真

整體方案而言需要著重關(guān)注末級(jí)功放管在整個(gè)頻段范圍內(nèi)結(jié)合工作點(diǎn)自適應(yīng)技術(shù)后其是否能夠滿足線性與效率的要求。以下將著重對(duì)該部分關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行論證。效率仿真如圖1所示。

表1 功放鏈路指標(biāo)

表2 諧波濾波器

圖1 仿真結(jié)果圖

表3 工作點(diǎn)自適應(yīng)模塊

30MHz仿真結(jié)果如圖（a）所示，從圖上可知在16V供電時(shí)，其功率容量大于40dBm，功放管效率為60.8%。100MHz在漏壓15V時(shí)，仿真結(jié)果如圖（b）所示，從圖中可以知道其功率容量接近40dBm，效率為61.7%。200MHz在漏壓15V時(shí)，仿真結(jié)果如圖（c）所示，從圖中可以知道其功率容量接近40dBm，效率為60%。300MHz在漏壓15V時(shí)，仿真結(jié)果如圖（d）所示，從圖中可以知道其功率容量接近40dBm，效率為57.3%。400MHz在漏壓15V時(shí)，仿真結(jié)果如圖（e）所示，從圖中可以知道其功率容量接近40dBm，效率為58.3%。512MHz在漏壓15V時(shí)，仿真結(jié)果如圖所示，從圖中可以知道其功率容量大于39dBm，效率為55%。發(fā)射時(shí)信道控制與信道功耗為6W，推動(dòng)級(jí)功耗為2W，則最差點(diǎn)512MHz的效率為55%@39dBm。則此時(shí)末級(jí)功放管的功耗為8W/0.55=14.55W,整體發(fā)射功耗則為14.55W+6W+2W=22.55W，小于整機(jī)要求的30W，此時(shí)整機(jī)效率為22.2%。

2W時(shí)則著重論證其在最薄弱的點(diǎn)512MHz時(shí)的效率，由于輸出功率變小，此時(shí)工作點(diǎn)自適應(yīng)需要調(diào)整漏壓到9V，其仿真結(jié)果如圖2所示：

圖2 5 1 2 MH z 2 W效率與功率仿真

表4 整機(jī)功率與功耗

從圖2上可以看出此時(shí)效率有58.4%。此時(shí)功放管輸出有3W，則對(duì)應(yīng)末級(jí)功放管功耗為5.13W，此時(shí)推動(dòng)級(jí)功耗2W，整機(jī)其他6W，則整體功耗為13.13W，滿足整機(jī)20W的要求。針對(duì)功放末級(jí)的仿真結(jié)果以及結(jié)合相關(guān)模塊的指標(biāo)對(duì)整機(jī)的輸出功率、效率、功耗總結(jié)如表4所示。

從表4數(shù)據(jù)可以說(shuō)明使用GaN功放管結(jié)合工作點(diǎn)自適應(yīng)技術(shù)，可以有效解決寬帶功率容量平坦度的問(wèn)題，同時(shí)可以在不同功率容量時(shí)均能獲得高的功放效率。如果硬件平臺(tái)需要支持高峰均比，如QPSK其峰均比為3dB，如果整機(jī)還是需要5W的平均功率，則此時(shí)峰值功率需要提高3dB到42dBm，則此時(shí)在512MHz時(shí)，通過(guò)工作點(diǎn)自適應(yīng)技術(shù)將其漏壓調(diào)整到20V，其功率容量則高于42dBm。并且考慮未來(lái)的擴(kuò)展，可以通過(guò)工作點(diǎn)自適應(yīng)技術(shù)調(diào)節(jié)更高的漏壓以獲得更高的功率容量或者支持更多的模式。

綜上所述，采用本方案的GaN結(jié)合工作點(diǎn)自適應(yīng)技術(shù)，可以有效的減小體積、降低功耗，并同時(shí)支持不同的模式，不同的功率等級(jí)，以及超寬帶。

3.結(jié)論

對(duì)于大功率功放而言，不僅僅各個(gè)放大器對(duì)于其功能實(shí)現(xiàn)具有重要影響，對(duì)于其熱設(shè)計(jì)和散熱等方面的設(shè)計(jì)也具有重要的意義。本文主要結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行某大功率功放的研究與分析，提出熱設(shè)計(jì)的必要性，并且進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)分析，在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)要的仿真分析，在散熱器方面進(jìn)行一定的優(yōu)化，希望散熱效果更好，熱設(shè)計(jì)更加科學(xué)。

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